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《長髮公主不為人知的辛酸史!?小小驗證家說給你聽!》——2018數感盃 / 國中組專題報導類佳作

數感實驗室_96
・2018/04/19 ・2131字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2018數感盃青少年寫作競賽 / 國中組專題報導類佳作 之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

  • 作者:劉茂德、詹喬茵/宜蘭縣立復興國中
圖/imdb

每位孩童的心裡必然珍藏著自己最為喜愛的童話故事。即使時光荏苒,這些陪伴我們的童話仍深烙印於心。

「長髮姑娘、長髮姑娘,放下你的長髮!」

如此耳熟能詳,我的腦海裡總有這麼一段台詞。

《長髮公主》的奇幻故事於 2011 年躍上大銀幕,成為了十分賣座的動畫《魔髮奇緣》。但已經是國中生的我們用更為理性的角度去觀看這整部電影,才發覺裡頭原來有許多待釐清的不科學!

在《魔髮奇緣》裡,公主為了與男主角一同逃離高塔,遂將自己的長髮垂掛於鉤子並將其拋置地面。那麼,

「公主一頭的金色長髮到底有多長呢?」這個問題在我心中油然而生。

由於必須先得知塔高才能進一步計算公主髮長,但我們卻又無法準確實測高塔高度,於是找了鵝鑾鼻燈塔(24.4m)、三貂角燈塔(16.5m)、鼻頭角燈塔(12.3m)等十座台灣知名燈塔作為驗證輔助將其高度進行平均(註一):

(24.4+16.5+12.3+14.3+12.7+8.3+14.8+33.3+11.6+15.2)m÷10=16.34≒16m

假設我們以此平均結果作為最後的塔高,而公主將頭髮拋下距地面 16 公尺的塔頂,並順延著自己的頭髮溜下。此時的頭髮從地面延伸至鉤子再回到地面,形成倒U字型,所以我們可以進一步推理,公主的髮長應要為塔的兩倍高:16×232(m)

一想到公主都需和這 32 公尺的頭髮朝夕相處,無論是行動上或清潔、烘乾頭髮,想必都為她生活帶來許多不便,小小驗證家我可是為她感到萬分欽佩啊!所以說公主的辛苦還真是無人知曉。

再讓我們繼續回到電影《魔髮奇緣》,片中公主的長髮是女巫每日的交通工具,當女巫呼喊著公主,公主就須將頭髮繞過鉤子垂放於地,而女巫會將她的頭髮來回纏繞於手腕,並站立在髮上等公主將她拉上高塔。這畫面是多麼怵目驚心,我們的頭髮要支撐一位成人重量成何容易?若是一般人,頭髮很可能因為無法承受而斷裂吧!看來長髮公主與其他童話裡的公主相比,似乎更為艱辛。即使真能承受一位成人重量,我們的女巫為免也太過殘忍,是否曾經體諒過公主啊…?

為了驗證頭髮是否真能如電影般支撐一個成人重量,我們做了實際測試。

別小看一根毫不起眼的頭髮,最終得到的結果可是讓我們眼睛為之一亮! 我們將砝碼逐一垂掛於一根頭髮上,五次測量後分別在90克重、110克重、90克重、110克重、100 克重時斷裂。

平均後一根頭髮能承受重量約略是 100 克重,大概相當於兩顆雞蛋的重量。

在 The Normal Trichogram Of The Adult 這篇文章中提到:若髮色屬於金色的人,平均會有 140000 根頭髮。

再將上述化為完整式子:140000(根)x 100(gw)/ 1000=14000(kgw)。

從而得知,當公主將女巫拉上高塔時,女巫體重最大能達 14000 公斤重!

金氏世界紀錄女性最大體重為 544 公斤重,14000 公斤重簡直刷新了紀錄!所以這個數字可以說是和「不可能」畫上等號。

而在我們釐清女巫的真實體重之前,我們必須先計算出公主的頭髮重量為多少。這是因為,當公主將女巫拉上高塔,除了女巫原本的重量,還要加上公主的全部髮重,才是公主雙手拉起的所有重量。

於是小小驗證家們為了使數據更增可信度,親自走訪了美髮店並索取一束頭髮進行測試。

將蒐集到的頭髮經過一番好大的功夫整理後,取了一束約有 40 公分長的頭髮,利用電子秤將其多次測量後,平均後得到的重量約為 96.93 公克。再將這個長度放大為 32 公尺:

(32÷0.4)×96.93=7754.4(gw),相當於 7.7544 公斤重。

公主的頸椎必須要承受將近 8 公斤重的重量,想必這位看似瘦弱的長髮公主一定練就了鋼鐵般強硬的頸椎呢!

我們得知頭髮重量後,接著就能來進一步探討:

女巫的真實重量最多可以是多少呢?網路上查得 成年女性平均雙手拉力約落在 380 牛頓左右,將 380 牛頓換算為質量(F/a=m)

380÷9.8≒38.77 (kg)也就是說,在地球上有38.77公斤重。

而公主除了拉起女巫,拋至地面的頭髮也須一併拉起。所以將 38.77 公斤重扣掉剛剛計算出的頭髮質量 7.75 公斤重。

38.77-7.75=31.02 (kgw)

也就是說女巫體重最重約只能有 31 公斤重,若女巫重量超出 31 公斤重太多,公主將會沒有足夠的拉力將其拉起。而此數據也與上述計算的 14000 公斤重整整相差了 452 倍!可說是成功推翻 14000 公斤重這充滿驚嘆號和問號的數字。

《魔髮奇緣》中的公主被長期禁錮於高塔中,而女巫則出外採集蔬果等等。無論上塔下塔,在毫無升降梯的情形下,公主的頭髮都成了她不可或缺的出外工具。而我們可以進一步思考,公主的頭髮雖可承受女巫的所有重量,然而經過一天、兩天、三天……頭髮會到了一定的磨損程度,甚至也許造成公主頸椎的永久性傷害!我們的女巫可能要定期帶公主進行頸椎部分的相關檢查,不然到頭來也會把自己囚禁於塔裡了。

註1:燈塔數據參考

鵝鑾鼻燈塔24.4m
三貂角燈塔16.5m
鼻頭角燈塔12.3m
富貴角燈塔14.3m
太平島燈塔12.7m
七美嶼燈塔8.3m
蘭嶼燈塔14.8m
綠島燈塔33.3m
琉球燈塔11.6m
旗津燈塔15.2m

更多2018數感盃青少年寫作競賽內容,歡迎參考 2018數感盃特輯、數感實驗室官網粉絲頁喔。

文章難易度
數感實驗室_96
60 篇文章 ・ 34 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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〈長髮公主〉隱含女性不孕的問題?你所不知道的童話剖析——從榮格心理學分析童話的隱喻
Bonnie_96
・2021/08/06 ・4366字 ・閱讀時間約 9 分鐘

編按:動畫故事近年翻案頻頻!網上流傳著《神隱少女》的千尋隱喻雛妓、《龍貓》的大龍貓隱喻死神的種種都市傳說。本文借用分析心理學開山祖師榮格的視野,一探動畫文本中的隱含義?

《咒術迴戰》中的七海健人有云:「枕邊掉的頭髮越來越多,喜歡的夾菜麵包從便利商店消失,這些微小的絕望不斷積累,才會使人長大。」——泛科《童年崩壞》專題,邀請各位讀者重新檢視童年時期的產物,讓你的童年持續崩壞不停歇 ψ(`∇´)ψ

看過迪士尼動畫電影《魔髮奇緣》的你,想必對樂佩公主的 70 英尺長(約 21.3 公尺)的金髮印象深刻。這部取材自《格林童話》中〈長髮公主〉(又譯萵苣公主)的動畫電影,背後有哪些難以窺見的隱喻呢?本文將以榮格童話分析來討論〈長髮公主〉,這個故事其實隱含女性渴望生育的訊息。各個角色如何以不同方式呈現相同的焦慮?最後他們又是如何化解這樣的渴望?讓我們繼續看下去!

迪士尼動畫《魔髮奇緣》中樂佩公主的金色長髮。圖/Giphy

先來談談,什麼是「榮格童話分析」?

在深入分析〈長髮公主〉的隱喻前,得先來介紹什麼是「榮格童話分析」。

一提到童話,大家腦中馬上浮現罐頭開場「在很久、很久以前」。緊接著,主角一定會遇到三次困難。不管挑戰如何困難,都能迎刃而解。最後來個華麗結尾「公主與王子過著幸福快樂的日子」。

專屬於孩童讀物的童話故事,卻對瑞士心理學家榮格(Carl Jung)十分重要。他認為不會受限各歷史文化、能被大眾喜愛的童話,是人類集體無意識(Collective unconsciousness)中最原始的結構

最重要的是,如何詮釋童話中的隱喻與象徵。因為要找到進入更深層集體無意識的方法,就需要找出並分析這些深藏在童話中的原型(archetypes)和隱喻。並能從童話中,更認識心靈運作的模式和歷程。

原型,是一種集體無意識(Collective unconsciousness)的結構。它會存在各種心靈活動當中,我們通常很難從意識中直接捕捉。包含會在神話、童話故事、宗教,以及藝術等中發現。 像是接下要談的〈長髮公主〉,或是大家熟知的〈睡美人〉、〈白雪公主〉等童話,必定都會出現美公主、帥王子、壞巫婆三種典型的角色,這其實就是榮格心理學中的原型之一

壞巫婆是童話三種典型角色之一。圖/Giphy

常被提及的原型圖像,還包含:阿尼瑪(anima)、阿尼姆斯(animus)、陰影、老者、孩子,以及魔法師等。其中,陰影(shadow),則是不符合社會規範及道德標準的特質。像是自私、軟弱、貪心等。因為存在無意識中,所以不容易被個體所覺察的內容。

而「阿尼瑪」和「阿尼姆斯」則是比陰影更深層的無意識內容。阿尼瑪是男性中的女性特質,阿尼姆斯是女性中的男性特質。會因為不同的社會文化、個人發展有不同的顯現程度。

在我們的一生中,只能真正體驗或是理解幾個原型而已。但透過童話,我們能夠認識更多不同原型的運作方式,以及集體無意識的運作歷程。

正如,榮格童話分析最權威的代表人物瑪麗-路薏絲.馮.法蘭茲(Marie-Louise von Franz)在《解讀童話:從榮格觀點探索童話世界》一書中提到,「童話是集體無意識心靈歷程中,最純粹且精簡的表現方式,⋯⋯童話以最簡要、最坦誠開放且最簡練的形式代表原型。在此一純粹的形式中,原型意象提供我們最佳的線索,以了解集體心靈所經歷的歷程。」

榮格童話分析最權威的代表人物 Marie-Louise von Franz。圖/Amazon

人人熟悉的〈長髮公主〉,其實在談不孕?

從前有一對夫妻,結婚很久,他們非常想要一個孩子。但多年過去了,他們都得不到孩子。最後,女人向上帝請求,希望能賜予他們一個孩子。
房子的後方有個小窗戶,可以看到一座美麗的花園,裡面有著奇花異草。但是,花園四周環繞著高牆,誰也進不去。因為它的主人是法力高強的女巫,人人都很害怕她。
有天太太極度想吃女巫花園內所種的萵苣,難以拒絕的丈夫只好去三番兩次去偷來給太太吃。某天被女巫抓到,丈夫不斷向她賠罪,後來不得不答應巫婆的交換條件——「萵苣可以讓你們隨便採,但你們的小孩生下,要交給我。」

從榮格學派童話分析的觀點來看,每個童話故事都會提出一個精神世界,等待被解決的問題。尤其,故事開場的第一段,就決定精神世界的方向。也就是人類共同面臨的某種困境。而故事的情節與鋪陳,是這個解決方案的演繹。

所以從人物設定可以發現,長髮公主的父母及未來的養母(女巫)都至少有「生育困難」及「想要孩子」的其中一種困境,這不但是文本中推動劇情的關鍵要素(促成雙方用萵苣吃到飽交換長髮公主的撫養權),也反映了現實中一般家庭被賦予傳宗接代這種社會責任所衍生的生育焦慮。

貫穿整個故事的核心主題「無法生育」。圖/Pexels

同是身為女性的妻子及女巫,兩人卻擁有不同、甚至是對立的生命議題。動畫中的妻子,象徵著傳宗接代、照顧家庭的責任,以及成為母親與妻子的女性能量。 

相反地,女巫則是象徵著傳承智慧、帶有純潔,沒有小孩的女性能量。若以現代社會類比,就類似在專業領域中佔有一席之地的女性,能夠靠著才華及知識過著自給自足的生活,選擇不進入婚姻、不投入家庭

兩種不同的角色,雖然有各自的生命議題,可是在文本中都指向同樣的「生育焦慮」。這裡的生育焦慮不只是生理上的無法生育,它背後潛藏人類心靈創造力的枯竭,更是一種對「創造希望」與「新的可能」的渴望。

這樣的渴望和能量,也驅動雙方有了接下來的行為——偷竊。從對方那裡,偷些原本不屬於自己的東西。妻子央求丈夫從女巫花園偷些萵苣,而女巫則是以童話故事慣用手法「交換」取得對方的孩子。

王子闖入「禁忌高塔」,象徵公主逝去的童貞

時間很快地過去了,生下來的女嬰就被命名為拉芬采兒(Rapunzel;意譯萵苣)。在小女孩滿12歲的那年,女巫決定將她送到森林深處,把她關在一座高塔裡。這是沒有門、沒有樓梯的高塔,她就過著禁錮生活。
「拉芬采兒、拉芬采兒,垂下妳的長髮!」每當扶養她的女巫要送飯菜過來時,就會在塔下呼喊她名字。要她放下一頭金色長髮,讓女巫可以藉由爬髮從窗戶進入塔內。
有天,王子騎馬路過森林,被拉芬采兒的歌聲所吸引。在白天,觀察完女巫進入塔內的方法後。隔天夜晚他模仿女巫的通關密語,進入塔內。當拉芬采兒看見陌生男子,簡直嚇壞了。但聽完王子溫柔的自我介紹後,兩人瞞著女巫多次在高塔幽會,日久生情後,拉芬采兒也答應王子的求婚。直到王子帶足夠的線繩能夠編成梯子,就能帶她遠走高飛。

從開場到故事的中段,出現兩個榮格學派所說的「禁忌空間」。分別是女巫的花園,以及拉芬采兒所居住的高塔。兩個場域,都是人無法輕易進入的空間。因為無法輕易接近,往往禁忌會帶有神聖性的意義與象徵。

將正值青春期的拉芬采兒關在高塔中,有種與外界隔絕、刻意孤立他人的意味。女巫所做的其實正是在呵護少女的純潔狀態,讓她維持在未受外界玷汙、最完美的心靈。

然而,王子進入塔內的那刻起,象徵禁忌的高塔,也不再禁忌。他無疑打破女巫為拉芬采兒所呵護的純潔。逝去的童貞,也象徵著她將從女孩轉變為女人,迎來青春期階段的自我認同危機。

拉芬采兒所居住的高塔是故事中的「禁忌空間」之一。圖/Giphy

有趣的是,拉芬采兒不僅是故事中出現的第三個女性角色,也是故事中唯一有名字的主角。童話故事中的角色,從沒有名字到有名字的轉變,也體現榮格學派所強調的「自性化歷程」。

自性化歷程,是一種個體尋找認定、發展獨特,以及創造生命的過程。因此,生下即被賦予名字的拉芬采兒,也預示著她的人生將完成追尋自我的任務。她也將從原先任女巫擺布、獨自生活在高塔中;與王子的相識相戀,找到屬於自身的認同,並創造自身新的可能與新生命。

被放逐的懲罰,公主邁向獨立的契機

拉芬采兒某次拉女巫上來時,卻說溜嘴:「教母,為什麼你這麼重?我拉王子都沒有這麼費力,可一下子就把他拉上來了!」聽完一氣之下的女巫,剪去拉芬采兒的秀麗長髮、把她丟到沙漠之中。
不知情仍前來幽會的王子,依舊喊著那句通關密語。但爬上塔內,卻發現前來等著他的,不是拉芬采兒,而是女巫。絕望之餘,王子縱身一躍。掉進一片荊棘叢裡,不慎刺傷雙眼失明,為此流浪多年。
直到,王子來到拉芬采兒所待的沙漠,再度聽見熟悉的歌聲。兩人相擁而泣,她的淚水滴到王子的眼睛,竟然就恢復視力、重見光明。這時的她,也生下一男一女的雙胞胎。最後,王子帶一家四口回到自己的王國,從此過著幸福快樂的日子。

從上一段中,我們也能看到過去受到女巫擺布的她,是處於女性內在分裂的狀態,沒有足夠的能量找到自我認同。

而〈長髮公主〉這篇故事最重要的轉折點,在於女巫的懲罰——剪去她秀麗的頭髮,將她放逐到沙漠之中。本是讓女巫、王子攀爬的金色秀髮,卻因為犯錯而被迫剪去,這象徵著「階段的轉變。」

現今,我們常會看見有些人在經歷失戀、出社會等重要事件後想換換造型,會把過去留了很久的長髮一口氣全部剪掉。在某種意義上就代表「階段的轉變」,也代表期待下個階段的到來。 

但在〈長髮公主〉中,剪髮沒有期待迎向下個階段的喜悅,而是一種初嘗禁果所要承受的代價。且被丟到不毛之地、毫無生機的沙漠,在絕境之中,她需要展現女性內在的力量,同時肩負起成為母親及父親的責任,獨自扶養一雙兒女。

兜了一圈後,童話故事的最後,依然是王子與公主過著快樂的日子。最終,原先女性內在的分裂狀態,現在也經驗了完整的內在歷程,感受到「生」的希望。

初嘗禁果要肩負的責任與「生」的希望。圖/Pexels

 參考資料

  • 呂旭亞(2017)。《公主走進黑森林:榮格取向的童話分析》。台北:心靈工坊。
  • 瑪麗-路薏絲.馮.法蘭茲(2016)。《解讀童話:從榮格觀點探索童話世界》。台北:心靈工坊。
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Bonnie_96
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喜歡以科普的方式,帶大家認識心理學,原來醬子可愛。歡迎來信✉️ lin.bonny@gmail.com

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紅髮人不會曬黑、更難麻醉?僅占全球不到 2% ,紅髮人的秘密不簡單!
羅夏_96
・2021/05/17 ・5139字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

髮色絕對是人與人之間,外貌差異最明顯的特徵之一,拜染髮劑所賜,我們在生活中能見到各式各樣的髮色,不同年度和季節,甚至會出現像是「奶茶棕、亞麻綠、霧灰藍」的髮色流行趨勢!

然而,當我們撇去染髮劑帶來的效果後,全世界各地人們的天然髮色其實主要只有 4 種而已!其中,黑色是最常見的顏色,也是臺灣人最熟悉的髮色,占世界總人口的 80% 左右,其次是棕色,然後是金色和紅色。

紅髮是諸多髮色中,最少見也最吸引人們注意力的髮色。圖/Wikipedia

在天然髮色中,紅髮是最罕見的髮色,在全球總人口中所占的比例不到 2%,紅髮人主要分佈在歐洲西部與北部,特別是在英國不列顛島附近的地區。

關於紅頭髮,坊間有一個有趣的傳聞——紅髮人比較難麻醉!

近期美國麻省總醫院的團隊,發表在 Science Advances 期刊上的研究1,或許能讓我們一窺這個傳聞背後的可能機制。

髮色怎麼來的?

人類的髮色是怎麼產生的?讓我們從毛囊 (Hair follicle) 說起。

毛囊是皮膚的附屬器官 (appendages) ,而毛髮就是由毛囊所生成的。毛囊除了用來生長毛髮,也可幫助維持表皮的機能,免受外界環境的損傷,在組織更新和外傷修復中發揮重要作用2

毛囊構造,其中黑素細胞 (Melanocyte)在最底部。圖/Hair: Follicle, Associated Structures and Growth

髮色則是由毛囊中的黑素細胞 (Melanocyte) 所決定,黑素細胞會隨著毛囊的生長,將產生的黑色素嵌入毛髮中,使其看來有顏色。

毛囊中的黑素細胞會生產兩種黑色素 (Melanin):真黑色素 (eumelanin)褐黑素 (pheomelanin),真黑色素的含量越多,毛色越黑;褐黑色素越多則偏紅。

真黑色素 (eumelanin) 和褐黑素 (pheomelanin) 所產生的顏色。圖/ Colour Theory for Hairdressing

黑色素除了會影響毛髮、皮膚和瞳孔的顏色,也是重要的物理防曬劑。可以幫我們吸收過多的紫外線,保護皮膚中細胞的 DNA 不會受到紫外線傷害。

造就紅髮的重要基因——MC1R

研究顯示,與紅髮關係最密切的基因是 MC1R

MC1R 的蛋白質產物為黑素皮質素受體 1 (melanocortin 1 receptor,MC1R),其主要表現在皮膚細胞及黑素細胞的細胞膜上。

黑素皮質素受體 1 會受黑素皮質素 (Melancortin) 的活化,黑素皮質素受體 1 活化後會改變黑素細胞產生的黑色素種類3:當黑素細胞上的黑素皮質素受體 1「未」受到黑素皮質素的活化時,是產生褐黑素為主,反之,但黑素皮質素受體 1 被活化後,就會改為產生真黑色素,讓皮膚和髮色變深。

紅髮的人因 MC1R 基因有突變,黑素細胞上的黑素皮質素受體 1 無法被正常活化,這讓黑素細胞無法產生真黑色素,而是不斷產生褐黑素,因此讓髮色呈紅黃色。

如果你天生紅髮,就不怕被曬黑?

你知道嗎?因黑素細胞無法生成真黑色素,所以紅髮的人皮膚「不會被太陽曬黑」!

雖然這聽來是很多人夢寐以求的能力,但其實一點也不好。

前面有提到,黑色素的一個重要功能,就是抵禦紫外線對皮膚細胞的傷害,因此紅髮的人若沒有做好防曬,很容易曬傷,罹患皮膚癌的比率也比常人更高4

雖然造成紅髮的基因主要受 MC1R 影響,不過根據英國在 2018 年的大規模基因分析研究顯示,除了 MC1R,其他的基因變異也會影響紅髮的表現(例如影響紅色的深淺),只是對髮色的影響沒有像 MC1R 這麼有決定性5

紅髮人比較難麻醉?傳聞還是真有此事?

在麻醉界有個傳聞,那就是紅髮的病患需要更多麻醉劑才能麻醉。

2005 年,美國路易斯維爾大學的研究團隊,就對這個傳聞做研究6,該研究分別對 30 名黑髮女性和 30 名紅髮女性,進行疼痛與麻醉測試。

結果顯示,紅髮的人對熱疼痛更敏感、對連續性疼痛刺激(如電引起的疼痛)較不敏感,而且紅髮的人確實需要更大劑量的麻醉劑才能被麻醉!

這表示髮色可能與改變人「對某些類型疼痛的敏感性」,以及「麻醉抗性」有關。

找出 MC1R 基因與疼痛的連結

有了上述研究的基礎,美國麻省總醫院的團隊決定深入了解其中的分子機制。

科學家選用一株和造成人類紅髮機制類似的小鼠,這些小鼠由於 MC1R 的突變,導致黑素皮質素受體 1 無法發揮作用,因此黑素細胞無法產生真黑色素,而讓毛色呈紅色。

跟紅髮的人類一樣,科學家也發現,這些紅毛小鼠對疼痛的耐受性比正常小鼠更高。

MC1R 突變的小鼠,毛色也呈紅色。圖/參考文獻 1

為甚麼紅毛小鼠也比較不怕痛?其中的原因頗複雜,讓我們一起慢慢拆解箇中奧妙!

首先,黑素皮質素受體 1 的活化除了會促使黑素細胞產生真黑素,同時也會讓黑素細胞產生前腦啡黑細胞促素皮促素 (Pro-opiomelanocortin, POMC)

POMC 是甚麼?可以把它想成是一個「激素複合體」,也就是 POMC 會被酵素切割成不同片段,而每個片段在被細胞修飾後,都能作為一種激素使用。

目前知道 POMC 主要會分成成四種激素7

  1. α-黑色素細胞刺激素 (α-Melanocyte-stimulating hormone, α-MSH)
  2. 促腎上腺皮質素 (adrenocorticotropic hormone, ACTH)
  3. β-內啡肽 (β-Endorphin)
  4. 甲硫腦素 (Met-enkephalin)
POMC 經過細胞處理後,能產生多種激素。圖/The Importance of Melanocortin Receptors and Their Agonists in Pulmonary Disease

這四種激素每個要細講都很有故事,建議有興趣的讀者可自行查閱(畢竟它們不是這篇文章的主角),這邊只簡單羅列一下它們的功能:

  • α-黑色素細胞刺激素( α-MSH):與調節食慾、性慾和黑色素生成有關
  • 促腎上腺皮質素 (ACTH):調控糖皮質素 (glucocorticoid) 的分泌,糖皮質素是腎上腺皮質素的一種,與人體內糖、脂肪、和蛋白質的生物合成和代謝的作用有關,還具有抗發炎、免疫抑制與中樞興奮等作用
  • β-內啡肽 (β-Endorphin)和甲硫腦素 (Met-enkephalin):前者是腦內啡,後者是腦啡肽。兩者都是內源性鴉片物質,會和中樞神經系統內的神經細胞,其細胞膜上的鴉片類受體 (Opioid receptors) 結合,達到鎮痛的效果。

MC1R 基因突變後,POMC 也沒了

紅毛小鼠因 MC1R 突變,使黑素細胞上的黑素皮質素受體 1 無法被活化,也就無法產生 POMC,由 POMC 分出的四種激素也不會產生。

起初研究團隊懷疑紅毛小鼠是因為 β-Endorphin 這種具有鎮痛效果的激素減少,而改變牠們的疼痛耐受性,但研究顯示,破壞正常小鼠產生 β-Endorphin 的能力,或者破壞正常小鼠神經細胞上的鴉片類受體,都不會讓小鼠的疼痛耐受性上升,只有破壞紅毛小鼠的鴉片類受體,才會降低牠們的疼痛耐受性。

因此他們排除紅毛小鼠是因 β-Endorphin 的減少,而有較高的疼痛耐受性,但鴉片類受體產生的下游訊號,會影響疼痛耐受性。

β-Endorphin 和鴉片類受體異常,不影響正常小鼠的疼痛耐受性。但鴉片受體異常,會降低紅毛小鼠的疼痛耐受性。圖/參考文獻 1

接著研究團隊把目光放在 POMC 所分出的另一個激素:α-MSH 上。

研究顯示,紅毛小鼠血液內的 α-MSH 量確實有減少。因此他們把 α-MSH 重新補充到紅毛小鼠體內,看會發生甚麼狀況,結果顯示,隨著 α-MSH 的量上升,紅毛小鼠的疼痛耐受性降低了!

這個結果讓研究團隊推測,神經細胞上 α-MSH 受體是影響紅毛小鼠疼痛耐受性的關鍵。

補充 α-MSH (Melanotan II) 會讓紅毛小鼠的疼痛耐受性降低。圖/參考文獻 1

當「親戚」也參一腳,耐痛能力又不同!

好巧不巧,神經細胞上 α-MSH 的受體,和黑素皮質素受體 1 是親戚,那就是黑素皮質素受體 4 (melanocortin 4 receptor,MC4R),而黑素皮質素受體 4 在人體中與食慾、性慾和食物代謝功能等有關8

研究團隊發現,破壞正常小鼠的黑素皮質素受體 4 後,牠們的疼痛耐受性確實上升了,這顯示黑素皮質素受體 4 確實會影響小鼠的疼痛耐受性。另外和紅毛小鼠(黑素皮質素受體 1 異常)一樣,黑素皮質素受體 4 異常的小鼠,如果鴉片類受體的下游訊號被抑制,疼痛耐受性也會降低。

MC4R 異常和紅毛小鼠一樣的疼痛耐受性會上升。同樣的,抑制鴉片類受體(加入 Naloxone)會讓 MC4R 異常和紅毛小鼠的疼痛耐受性降低。圖/參考文獻 1

耐痛的兩個關鍵:MC4R、鴉片類受體

腦導水管周圍灰質 (Periaqueductal gray, PAG) 的細胞會分泌腦啡肽抑制疼痛,PAG 的已知功能包括對疼痛的調控、防衛行為、生殖行為和發聲等功能,科學家也在小鼠的 PAG 區域觀察到:

鴉片類受體和黑素皮質素受體 4 會同時表現在此區的神經細胞上。

根據人腦的基因表現資料庫,研究團隊指出,除了 PAG 外,大腦中還有其他區域也會同時表現鴉片類受體和黑素皮質素受體 4,也有其他研究顯示,部分同時表現鴉片類受體和黑素皮質素受體 4 的區域,與調控疼痛有關1

綜合以上結果,研究團隊提出以下的模型:中樞神經細胞中的鴉片類受體和黑素皮質素受體 4 在調節疼痛上,彼此是互相抗衡的

也就是說,鴉片類受體的功能,是「抑制」疼痛;黑素皮質素受體 4 則相反,是「增加」疼痛。

而小鼠對疼痛的耐受性,會因這兩個受體下游訊號的平衡不同而被影響。

研究團隊提出的模型:神經細胞上的鴉片類受體和 MC4R 的平衡,會影響小鼠的疼痛耐受性。圖/參考文獻 1

根據提出的模型,他們推測紅毛小鼠的疼痛耐受性較高的原因如下:

紅毛小鼠因 MC1R 異常,無法產生POMC。這會讓小鼠體內的β-Endorphin和α-MSH的量降低。這兩個激素的降低,會讓神經細胞上的鴉片類受體和MC4R的下游訊號降低。但小鼠體內除了β-Endorphin,還有其他內源性鴉片物質 (如Endomorphin)可以活化鴉片類受體,讓鴉片類受體的下游訊號不像 MC4R 減少的那麼多。因此在神經細胞中,止痛的訊號 (鴉片類受體) 強過疼痛的訊號 (MC4R),這就讓紅毛小鼠有更強的疼痛耐受性了。

科學家尚未找出紅髮人不怕痛的細節

雖然小鼠的實驗結果顯示,黑素皮質素受體 1 異常會讓疼痛耐受性上升,但這個結果顯然跟以往的人類研究結果不太一樣,先前的研究顯示紅髮人對不同類型的疼痛,耐受性並不相同。

另外研究團隊提出的類鴉片受體/MC4R 平衡模型,是否在人體上也適用,還需要很多測試,畢竟人體產生 POMC 和內源性鴉片物質的機制,比小鼠更複雜。

而關於麻醉的問題,小鼠實驗(或者說團隊提出的模型)也無法解釋為何紅髮人比較難麻醉,畢竟疼痛耐受性的改變是否會影響麻醉抗性,目前沒有確切的證據能指出兩者的關聯。

儘管目前只有小鼠的實驗,但這篇研究不僅指出皮膚產生的訊號,會參與並調節疼痛,同時也開啟新的止痛研究方向,那就是黑素皮質素受體 4 。研究團隊也表示,未來會針對黑素皮質素受體 4 做更深入的研究,或許黑素皮質素受體 4 將是一個新的止痛標靶。

紅髮,不僅與眾不同,也不簡單!

看到這兒,不知道讀者們會不會有我看完這篇文章的感受:造就紅髮背後的機制,竟然可以延伸出這麼複雜的生理反應!

紅髮是最罕見的天然髮色,它的珍稀性不僅吸引人的目光,也開啟了新的研究道路。或許每個非主流事物的背後,都有著無限的可能,尊重並了解這些獨特,也將開啟我們的視野和思想!

參考資料

  1. Robinson KC, Kemény LV, Fell GL, Hermann AL, Allouche J, Ding W, Yekkirala A, Hsiao JJ, Su MY, Theodosakis N, Kozak G, Takeuchi Y, Shen S, Berenyi A, Mao J, Woolf CJ, Fisher DE. Reduced MC4R signaling alters nociceptive thresholds associated with red hair. Sci Adv. 2021 Apr 2;7(14):eabd1310
  2. 毛囊
  3. Melanocortin 1 receptor
  4. Robles-Espinoza, C., Roberts, N., Chen, S. et al. Germline MC1R status influences somatic mutation burden in melanoma. Nat Commun 7, 12064 (2016).
  5. Morgan, M. D., Pairo-Castineira, E., Rawlik, K., Canela-Xandri, O., Rees, J., Sims, D.,& Jackson, I. J. (2018). Genome-wide study of hair colour in UK Biobank explains most of the SNP heritability. Nature communications, 9(1), 5271.
  6. Liem EB, Joiner TV, Tsueda K, Sessler DI. Increased sensitivity to thermal pain and reduced subcutaneous lidocaine efficacy in redheads. Anesthesiology. 2005;102(3):509-514. 
  7. Proopiomelanocortin
  8. Melanocortin 4 receptor
  9. https://www.massgeneral.org/news/press-release/Research-reveals-why-redheads-may-have-different-pain-thresholds
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 438 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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兇手只有一個,是頭髮告訴我的!蛋白質分析新技術有機會協助鎖定嫌犯
吼猴
・2020/01/10 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • / 吼猴

圖片來源:pixabay

新聞中,命案層出不窮,然而不是每次都能幸運鎖定嫌疑犯,並取得有效的直接證據,現場遺留的蛛絲馬跡都是檢察官與受害家屬還原真相的希望。過往我們最有印象的科學證據可能就是 DNA檢驗」了,由小量的細胞或血液就可以辨識出嫌疑犯身分。最近美國法庭科學學會官方出版的《鑑識科學期刊》(Journal of Forensic Sciences) 宣告,未來取自現場遺留下的一根頭髮,將有機會作為輔助的科學證據,鑑定出真正兇手身份1

一根頭髮能告訴我們什麼?

以往經由毛髮,我們僅能知曉對方髮色、髮質、形狀如何,有時可以從毛髮上附著的一點皮屑,獲取頭髮主人的 DNA。現行技術中 DNA 證據的辨別性雖高,卻也不易保存且易被破壞;相較起來,毛髮主要由蛋白質構成,化學結構相較穩定、檢驗可用,量又多。如果能直接由頭髮鑑識出嫌疑犯身分,犯罪現場存留的毛屑就有機會成為更有利偵查的線索。

圖片來源:wiki commons

要做到這一點,我們需要有效而且簡易的蛋白質分析技術,以及能夠辨識個人的資料。頭髮的組成由外而內可分為表皮層 (cuticle)、皮質層 (cortex)和髓質層 (medulla)。表皮層主要以角質連接蛋白 (keratin-associated proteins)所構成,皮質層由角質連接蛋白和表層角質纖絲 (cuticular keratin fibrils) 組合而成,而髓質層則富含由聚合物交叉鍊結組成的結構,相當難分解

而這些蛋白質的結構與特性,是否有足夠的多樣性能讓我們辨識出個人身分呢?有這個機會。

有可供辨識身分的多樣性,還需實驗方法的突破

勞倫斯利佛摩國家實驗室 (Lawrence Livermore National Laboratory)於 2016 年一篇研究2指出,毛髮中存有的遺傳多樣肽鏈 (Genetically variant peptides,簡稱 GVPs)具有成為破案神探拍檔的資質。

遺傳多樣 (GVPs)為一夾帶 SAP (single amino acid substitutions) 之蛋白質片段,推得其對應轉譯的等位基因,鑑別其單核酸多態性 (SNP) 再建立數據庫,便能具有強如 DNA、指紋圖譜的鑑識系統。而今已確認在角質連接蛋白表層角質纖絲與部分非角質蛋白之等位基因序列中,一共出現 88 處可供鑑定所用的變異點3,是可從毛髮中獲取的GVPs,未來可能可以用來鑑別個體身分。

然而,就算找出了毛髮中可供鑑別個體的鏈,目前分析毛髮蛋白質的技術仍未成熟。毛髮萃取出 GVPs 的程序裡,主要成分角蛋白的結構,使得要萃取出完好的蛋白質相當困難。因此即使這個點子早自 1976 年就有人想到了,「從落下的頭髮找出兇手」如此直覺的想法,一直難以實現。

本次《鑑識科學期刊》刊載的文獻研究3提出了新發展的直接蛋白萃取法,並且與過去其他萃取方法作出比較。直接萃取法使用 90℃ 高溫配以萃取的藥劑 DTT (DL-dithiothreitol)和 LDS 樣品緩衝液 (lithium dodecyl sulfate Sample Buffer),協助蛋白變性以取得蛋白質。相比於過去使用球磨機研磨多次,並添加大量化學藥劑協助蛋白質變性沈澱的方法,更為直接且省力省時。

而文獻中比較了對蛋白質分析的敏感度與再現性,發現直接蛋白萃取法效果更佳,考量直接萃取方法的簡易與低成本,該方法於未來廣泛用於刑案的可能性極高。

技術成熟前,待解決的難關

儘管於毛髮中萃取出蛋白質不再困難,要從毛髮推論出原有主人的真實身份仍存在以下問題:

  1. 直接蛋白萃取法存在侷限性:直接蛋白萃取法並非適用於處理每一種 GVPs,不同性質的 GVPs有其合適的 GVP平板分析法 (GVP panel analysis),像是膠內水解 (in gel digestion) 比起溶液內水解 (in solution digestion) 較適合使用直接蛋白萃取法。除非我們能整併所有分析方法,取得其優點,否則該方法仍只適用於部分蛋白。若要擴大至人類的身份辨識,目前可供鑑別的位置仍然不足。而要建構出蛋白質的全貌以做鑑定用途,依然費時且操作人員需要具備專業技術。
  2. GVP 資料庫尚未完善:文獻中使用胰蛋白 (Trypsin) 作為限制酶進行切割,但實驗結果搜尋時卻並非只針對胰蛋白酶肽資料庫進行搜尋比照,而摻雜他種限制酶建構的資料庫進行比對。如此而得的片段分析結果,除不能確認其準確性,且在遇到分析程序所造成的蛋白質修飾時容易出現偽陽性反應。
  3. 改變 GVP 的因素了解不足:由於與 GVP 的相關研究尚未成熟,包括染髮、年齡等影響因素的研究量不足,要作為鑑識科的辨識依據為時過早。此外我們也無法排除千萬人當中是否有蛋白質序列恰巧相同的兩個個體出現,儘管若未來供鑑別位置的數量上升,該問題能稍作緩解,但仍須考慮到這個機率的問題。

有關自毛髮找出兇手的研究雖然路途仍然遙遠,分析化學的發展使我們朝這個目標緩緩邁進。然而,命案現場的完整性與偵查小組的洞察力依舊是破案的關鍵,鑑識人員的培訓能讓這些分析技術得以被妥善使用。可以確定的是,眾人對還原真相的渴求,終將化為更為具體且長久的技術留惠世人。非鑑識科人員的社會大眾在這些技術誕生時,若能不吝於給予支持和鼓勵,想必也能成為科學家們的動力鼓勁前行吧!

參考資料

  1. Ultrasensitive protein method lets scientists ID someone from a single strand of hair 
  2. Parker GJ, Leppert T, Anex DS, Hilmer JK, Matsunami N, Baird L, et al. (2016) Demonstration of Protein-Based Human Identification Using the Hair Shaft Proteome. PLoS ONE 11(9): e0160653. 
  3.  Zhang, Z., Burke, M. C., Wallace, W. E., Liang, Y., Sheetlin, S. L., Mirokhin, Y. A., … & Stein, S. E. (2019). Sensitive Method for the Confident Identification of Genetically Variant Peptides in Human Hair Keratin. Journal of forensic sciences.
吼猴
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臺大農業化學系出生。什麼都想嘗試,什麼都想創造。 但最深沈的渴望莫過於將生活的喜悅與驚奇分享給眾人,無論是狗狗貓貓的萌照、曲折離奇的故事,又或是總能帶給人新奇有趣的科學冷知識。 決意以溫柔真誠的言語將這個世界的驚奇,分享給想知道的人們。

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《長髮公主不為人知的辛酸史!?小小驗證家說給你聽!》——2018數感盃 / 國中組專題報導類佳作
數感實驗室_96
・2018/04/19 ・2131字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2018數感盃青少年寫作競賽 / 國中組專題報導類佳作 之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

  • 作者:劉茂德、詹喬茵/宜蘭縣立復興國中

圖/imdb

每位孩童的心裡必然珍藏著自己最為喜愛的童話故事。即使時光荏苒,這些陪伴我們的童話仍深烙印於心。

「長髮姑娘、長髮姑娘,放下你的長髮!」

如此耳熟能詳,我的腦海裡總有這麼一段台詞。

《長髮公主》的奇幻故事於 2011 年躍上大銀幕,成為了十分賣座的動畫《魔髮奇緣》。但已經是國中生的我們用更為理性的角度去觀看這整部電影,才發覺裡頭原來有許多待釐清的不科學!

在《魔髮奇緣》裡,公主為了與男主角一同逃離高塔,遂將自己的長髮垂掛於鉤子並將其拋置地面。那麼,

「公主一頭的金色長髮到底有多長呢?」這個問題在我心中油然而生。

由於必須先得知塔高才能進一步計算公主髮長,但我們卻又無法準確實測高塔高度,於是找了鵝鑾鼻燈塔(24.4m)、三貂角燈塔(16.5m)、鼻頭角燈塔(12.3m)等十座台灣知名燈塔作為驗證輔助將其高度進行平均(註一):

(24.4+16.5+12.3+14.3+12.7+8.3+14.8+33.3+11.6+15.2)m÷10=16.34≒16m

假設我們以此平均結果作為最後的塔高,而公主將頭髮拋下距地面 16 公尺的塔頂,並順延著自己的頭髮溜下。此時的頭髮從地面延伸至鉤子再回到地面,形成倒U字型,所以我們可以進一步推理,公主的髮長應要為塔的兩倍高:16×232(m)

一想到公主都需和這 32 公尺的頭髮朝夕相處,無論是行動上或清潔、烘乾頭髮,想必都為她生活帶來許多不便,小小驗證家我可是為她感到萬分欽佩啊!所以說公主的辛苦還真是無人知曉。

再讓我們繼續回到電影《魔髮奇緣》,片中公主的長髮是女巫每日的交通工具,當女巫呼喊著公主,公主就須將頭髮繞過鉤子垂放於地,而女巫會將她的頭髮來回纏繞於手腕,並站立在髮上等公主將她拉上高塔。這畫面是多麼怵目驚心,我們的頭髮要支撐一位成人重量成何容易?若是一般人,頭髮很可能因為無法承受而斷裂吧!看來長髮公主與其他童話裡的公主相比,似乎更為艱辛。即使真能承受一位成人重量,我們的女巫為免也太過殘忍,是否曾經體諒過公主啊…?

為了驗證頭髮是否真能如電影般支撐一個成人重量,我們做了實際測試。

別小看一根毫不起眼的頭髮,最終得到的結果可是讓我們眼睛為之一亮! 我們將砝碼逐一垂掛於一根頭髮上,五次測量後分別在90克重、110克重、90克重、110克重、100 克重時斷裂。

平均後一根頭髮能承受重量約略是 100 克重,大概相當於兩顆雞蛋的重量。

在 The Normal Trichogram Of The Adult 這篇文章中提到:若髮色屬於金色的人,平均會有 140000 根頭髮。

再將上述化為完整式子:140000(根)x 100(gw)/ 1000=14000(kgw)。

從而得知,當公主將女巫拉上高塔時,女巫體重最大能達 14000 公斤重!

金氏世界紀錄女性最大體重為 544 公斤重,14000 公斤重簡直刷新了紀錄!所以這個數字可以說是和「不可能」畫上等號。

而在我們釐清女巫的真實體重之前,我們必須先計算出公主的頭髮重量為多少。這是因為,當公主將女巫拉上高塔,除了女巫原本的重量,還要加上公主的全部髮重,才是公主雙手拉起的所有重量。

於是小小驗證家們為了使數據更增可信度,親自走訪了美髮店並索取一束頭髮進行測試。

將蒐集到的頭髮經過一番好大的功夫整理後,取了一束約有 40 公分長的頭髮,利用電子秤將其多次測量後,平均後得到的重量約為 96.93 公克。再將這個長度放大為 32 公尺:

(32÷0.4)×96.93=7754.4(gw),相當於 7.7544 公斤重。

公主的頸椎必須要承受將近 8 公斤重的重量,想必這位看似瘦弱的長髮公主一定練就了鋼鐵般強硬的頸椎呢!

我們得知頭髮重量後,接著就能來進一步探討:

女巫的真實重量最多可以是多少呢?網路上查得 成年女性平均雙手拉力約落在 380 牛頓左右,將 380 牛頓換算為質量(F/a=m)

380÷9.8≒38.77 (kg)也就是說,在地球上有38.77公斤重。

而公主除了拉起女巫,拋至地面的頭髮也須一併拉起。所以將 38.77 公斤重扣掉剛剛計算出的頭髮質量 7.75 公斤重。

38.77-7.75=31.02 (kgw)

也就是說女巫體重最重約只能有 31 公斤重,若女巫重量超出 31 公斤重太多,公主將會沒有足夠的拉力將其拉起。而此數據也與上述計算的 14000 公斤重整整相差了 452 倍!可說是成功推翻 14000 公斤重這充滿驚嘆號和問號的數字。

《魔髮奇緣》中的公主被長期禁錮於高塔中,而女巫則出外採集蔬果等等。無論上塔下塔,在毫無升降梯的情形下,公主的頭髮都成了她不可或缺的出外工具。而我們可以進一步思考,公主的頭髮雖可承受女巫的所有重量,然而經過一天、兩天、三天……頭髮會到了一定的磨損程度,甚至也許造成公主頸椎的永久性傷害!我們的女巫可能要定期帶公主進行頸椎部分的相關檢查,不然到頭來也會把自己囚禁於塔裡了。

註1:燈塔數據參考

鵝鑾鼻燈塔24.4m
三貂角燈塔16.5m
鼻頭角燈塔12.3m
富貴角燈塔14.3m
太平島燈塔12.7m
七美嶼燈塔8.3m
蘭嶼燈塔14.8m
綠島燈塔33.3m
琉球燈塔11.6m
旗津燈塔15.2m

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數感實驗室_96
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